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文档简介
QuestionNO.考题三工程构造分析应用作业薄壁加筋构造设计NameStudentNo.CollegeProfessionEmailAddressMobileNO.摘要 薄壁加筋构造是航空、造船以及土木工程领域内广泛使用的一种构造构件形式,而其自身的构造特点决定其稳定性能时设计的首要指标,除此之外,强度和质量规定也是本文重要的设计指标。本文运用大型通用的有限元软件PATRAN设计了一种薄壁加筋构造,很好的满足了问题规定的性能指标。关键字:数值模拟屈曲分析薄壁加筋构造设计目录\l"_Toc"第一章薄壁加筋构造的理论基础 3\l"_Toc"1.1薄板的临界失稳载荷计算 3\l"_Toc"1.2薄壁杆的局部失稳和总体失稳 41.3加筋构造的稳定性分析理论 4\l"_Toc"第二章加筋构造设计规定及思绪简介 5\l"_Toc"2.1加筋构造设计规定 5\l"_Toc"2.2构造设计思绪 5\l"_Toc"2.2.1设计规定分析 5\l"_Toc"2.2.2屈曲分析理论估算 5\l"_Toc"2.3分析总结 6\l"_Toc"第三章薄壁加筋构造数值模拟及成果分析 7\l"_Toc"3.1初步确定模型 7\l"_Toc"3.2建立模型 7\l"_Toc"3.3成果分析 8\l"_Toc"3.4方案12的数值计算成果和分析总结 9\l"_Toc"3.4.1方案12的屈曲数值计算成果 9\l"_Toc"3.4.2分析总结 10\l"_Toc"第四章总结 10第一章薄壁加筋构造的理论基础薄板的临界失稳载荷计算如下图1.1.1所示,一方板在X轴方向受均匀拉应力σ的作用,为简要起见,仅给出理论公式及其边界条件,推导过程省略。图1.1.1薄板受力示意图如下给出K值的取值及其边界条件支持状况系数k值四边简支四边固支三边简支,与载荷平行一边自由薄壁杆的局部失稳和总体失稳如图1.2.1所示,常见的有如下几种加筋型材,也就是薄壁杆件:Fig1.2.1薄壁杆件示意图查参照书可得,失稳载荷计算公式如下:薄壁杆件的总体失稳:其中薄壁杆件的局部失稳1.3加筋构造的稳定性分析理论 加筋构造示意图如下:Fig1.3.1加筋构造示意图加筋板件所能承受的最大总载荷为:其中,,第二章加筋构造设计规定及思绪简介 本章重要根据设计规定,提出设计思绪,并作一定的理论计算,为下一章的数值模拟提供参数设计的范围和详细的构造形式。2.1加筋构造设计规定:1、构造承受单向压缩载荷,压缩载荷>1.0×106N2、构造的受载边长不得不不小于500mm,构造的长度不小于500mm3、材料弹性模量为70000N/mm2密度为2.8×10-6kg/mm34、受压构造在压缩载荷作用下不许出现总体失稳和局部失稳5、构造的许用应力不不小于500MPa6、构造重量<0.007kg/mm(单位长度)
2.2构造设计思绪 本节重要分析设计规定,并就设计规定做一定的模型简化,应用第一章理论进行一定的估算和经验设计。2.2.1设计规定分析上述材料已给定,不需此外设计。而构造的大小取最低规定,即为板长宽为500mm*500mm.此时考虑质量规定和强度规定可得:截面积最大为2500mm2等效厚度为5mm最大承载均布压力为500MPa最大承载压缩载荷为1.25e-6N2.2.2屈曲分析理论估算:若该板不加筋,根据第一章中理论计算公式,可得t=5时σcr=20.49MPa,Pcr=92.24MPa。明显不满足规定,因此必须加筋。应用第三章中的加筋板的屈曲理论,计算板的临界载荷随加筋数量的影响。由于t<1或t>3.5时,该临界载荷参照性较低,故本文只给出如下几种厚度板的临界随加紧数量的变化:Fig2.2.1板的临界载荷随厚度和加筋数量的影响2.3分析总结有图可知,选定板的厚度为2—2.5左右的范围是可靠的,加筋为9-10根,临界应力在300-500MPa之间。加筋形式初选为L型和Z型(如下图2.2.2所示),和壁板用铆钉连接,共同承压。Fig2.2.2左为L型,右为Z型第三章薄壁加筋构造数值模拟及成果分析3.1初步确定模型:在初步的数值模拟中,发现L型的抗屈曲性能明显弱于Z型,因此选择抗屈曲稳定性胶高的Z型桁条。预置加筋数量为9根,有关构造如图3.1.1所示:图3.1.1构造示意图3.2建立模型由于该构造为薄壁加筋构造,故采用2D的SHELL单元来模拟薄板和桁条。共使用19089个节点以及20600个单元。在薄板三边设置简支边界条件,即限定三个方向位移.另一边仅限制X和Z方向位移,加载1为Y向压力为1MPa,加载2为10e6/S(MPa),其中S为该构造的截面积。模型如下图3.2.1所示:图3.2.1有限元模型工况一:Y向压力为1(MPa)工况一:Y向压力为10e6/S(MPa)3.3成果分析在第一章中我们已经预估了薄板t的范围,因此在该范围内不停变化t的大小以及桁条的厚度,分别进行工况一线性屈曲特性值分析(选用第一阶模态)与工况二线性静态分析(选用米歇斯应力最大值)下的数值模拟,得到计算成果如下图:方案板厚/mm桁条厚度/mm总面积/Mm2应力/MPa总临界载荷/N板最大应力/MPa桁条最大应力/MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.752485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.502450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.352.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于总临界载荷>10e6(N),总面积<2500mm2,以及最大许用应力为500MPa,因此符合规定的只有方案9-12,当然不停加厚板的面积也许尚有满意的成果,但对于本文来说,这四种方案已经足够满足性能指标。考虑到公益性、可加工性、一致性以及强度的可靠度,本文拟采用方案12.其能满足强度规定,稳定性规定,以及质量规定。下一节将详细给出方案12的数值计算成果:3.4方案12的数值计算成果和分析总结3.4.1方案12的屈曲数值计算成果1)屈曲特性值分析第一阶模态云图如图3.4.1(a)所示:图3.4.1(a)第一阶模态云图静力分析米歇斯应力云图如图3.4.2(b)所示:图3.4.2(b)静力分析米歇斯应力 3.4.2分析总结以上云图基本阐明了该方案满足性能指标,并且尚有相称大的余量,这也是可靠性设计的规定。由屈曲云图可知,该构造在承受10e6牛顿的压力时既没有发生局部失稳也没有发生整体失稳。而在承受该载荷时,最大
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